XVI OLIMPIADI ITALIANE DI ASTRONOMIA – MILANO – 2016

11 novembre 2015

Prof. Manlio Bellesi

PianetaDistanza dal Sole (UA)

Periodo di rivoluzione (anni)

Massa (Terra = 1)

Raggio (Terra = 1)

Densità (g/cm3)

Periodo di rotazione (giorni)

Mercurio 0,38710 0,240842 0,0558 0,3825 5,43 58,6462

Venere 0,72333 0,615187 0,8148 0,9488 5,24 -243,02

Terra 1 1 1 1 5,52 0,99727 (23h 56m 4s)

Marte 1,52369 1,880816 0,1074 0,5326 3,94 1,02596

Giove 5,20381 11,86178 317,83 11,209 1,33 0,41354 (9,9 h)

Saturno 9,53885 29,45657 95,16 9,449 0,69 0,44401 (10,7 h)

Urano 19,1833 84,01880 14,50 4,007 1,30 -0,7167 (17,2 h)

Nettuno 30,0578 164,788 17,20 3,883 1,76 0,6808 (16,3 h)

Plutone 39,4400 247,688 0,0022 0,1805 2,07 -6,3872

TT = 365,256 giorni (1 giorno = 86400 s) - MT = 5,976·1024 kg - RT-eq = 6378 km

I PIANETI INTERNI O TERRESTRI

Mercurio

Mercurio- È difficilmente osservabile perché la massima distanza angolare dal Sole arriva a 28°.

- L’inclinazione dell'orbita sull'eclittica è di 7°.

- È circondato da un'atmosfera estremamente tenue e la superficie appare molto simile aquella della Luna.

- Non vi sono evidenze di processi erosivi, né di attività vulcanica recente.

- Il bacino Planitia Caloris è uno dei più vasti crateri del Sistema solare dal diametro di circa1300 Km. L’urto che lo creò circa 3,6 miliardi di anni fa sollevò catene di montagne alte circa 2Km, generando un sistema di valli e fratture che si irradiano per 1000 km.

- Le zone polari hanno alta riflettività radar, forse dovuta a ghiaccio d'acqua portato dacomete e meteoriti, che si sarebbe accumulato in crateri dove la temperatura non supera i -150 °C e. Coperto da uno strato di regolite, potrebbe resistere all'azione dei raggi cosmici edultravioletti; tuttavia, la riflettività potrebbe attribuirsi a solfuri anziché al ghiaccio.

- La presenza di un campo magnetico (1/100 di quello terrestre) fa pensare ad un nucleo fluidoa bassa viscosità di ferro e nichel (più, eventualmente, solfuri) che costituisce i 2/3 dellamassa del pianeta (e i 3/4 del raggio)

- La superficie esterna è composta da una crosta di silicati di ferro e magnesio e da ossidirefrattari.

MERCURIOGHIACCIO NEI CRATERI POLARI

MERCURIO

GHIACCIO NEL CRATERE BERLIOZ

Venere

Terra

La Terra vista dalla Luna

Luna

GHIACCIO AI POLI DELLA LUNA

Marte

VARIAZIONI STAGIONALI DEL GHIACCIO

MARS PHOENIX LANDER

LA DISTRIBUZIONE DEL GHIACCIO NEL SOTTOSUOLO

MARZIANO

IL CASO ALH84001

STRUTTURE SEDIMENTARIEORGANOGENESU MARTE?

Gli asteroidi

- Corpi rocciosi ricchi di silicati e metalli (ma spesso anche di ACQUA e compostiorganici), confinati, per la maggior parte, in una zona posta fra le orbite di Marte edi Giove

- Il più grande, Cerere, ha un diametro di circa 940 km e raccoglie in sé circa unquinto della massa totale di tutti i pianetini. Pallade e Vesta (l’unico con la crostaancora intatta) hanno un diametro di circa 500 Km

- Alla fine del 2014 gli asteroidi con orbite note erano circa 300000.

- Alcuni (circa 850) hanno orbite che intersecano quella della Terra (oggetti Atena-Apollo-Amor)

- Si ritiene rappresentino resti del materiale da cui ha avuto origine il SistemaSolare, che non hanno potuto aggregarsi in un pianeta a causa delle perturbazioniprovocate da Giove

- Attualmente sono tra gli oggetti più studiati per le informazioni che possonofornire sul Sistema Solare primitivo e su come i pianeti interni abbiano acquistatoacqua e composti organici

Ida e DactylÈ il secondo asteroide incontrato dalla sonda Galileo; è lungo circa 52 km e largo più di24 km.

E` un membro della famiglia dei “Koronis”, frammenti lasciati da una catastroficacollisione che ha coinvolto un asterode più grande.

La sua superficie è ricca di crateri, alcuni più grandi di quelli di Gaspra; sembra esseregeologicamente giovane.

L'importanza di Ida sta nel fatto che per la prima volta si è potuto osservare unsatellitino orbitante intorno ad un pianetino.

La scoperta serve per spiegare la formazione di questi pianetini che sono ottenuti peraggregazione di corpi minori, a volte tenuti assieme da ghiacci.

Cerere

Pallade Vesta

Le dimensioni dei maggiori asteroidi

…E CERERE CONTIENE FORSE DEL GHIACCIO SOTTO LA SUPERFICIE

(SE NON PROPRIO ACQUA)

Giove

È il pianeta più grande e pesante del Sistema Solare.

Ha bassa densità (1,34 g/cm3): è costituito soprattutto da idrogeno e elio.

Possiede un'atmosfera molto estesa che in profondità sviluppa pressionienormi. A circa 1000 km di profondità la pressione è tale che l’idrogenodiventa liquido. A circa 24000 km l’idrogeno diventa metallico liquido.

Al centro, a circa 60000 km di profondità, si ipotizza la presenza di unnucleo roccioso.

Giove è visibile al telescopio come un disco giallo solcato da bande chiaredette “zone” e altre scure dette “fasce”, caratterizzate da nubi ascendenticalde e nubi discendenti fredde che si alternano come strisce paralleleall'equatore.

Giove

Giove

Il satellite è Ganimede

L’immagine è stata ripresa dalla sonda Cassini in viaggio verso Saturno il 3 dicembre 2000 da 26,5 km

Giove

È accompagnato da molti satelliti e, come gli altri pianeti gassosi, ècircondato da un sistema di anelli.

Nel 1610 Galileo scoprì quattro satelliti molto luminosi oggi chiamatisatelliti medicei o galileiani: Io, Europa, Ganimede e Callisto.

Mentre Io e Europa sono per lo più composti di silicati, la bassa densità diGanimede e Callisto indica la presenza di un miscuglio di silicati e ghiaccio,in quantità grosso modo equivalenti.

Io è sede di intensa attività vulcanica dovuta alle forze di marea prodotteda Giove sul satellite; Europa ha una struttura interna con probabile acquaallo stato liquido, ricoperta da una crosta di ghiaccio spessa diversichilometri.

Sia Ganimede sia Callisto presentano campi magnetici e questo fa pensareche anche al loro interno possano esserci ioni metallici immersi in un fluido(forse acqua).

Io Europa Ganimede Callisto

Raggio (km) 1815 1569 2631 2400

Massa (kg) 8,92·1022 4,87·1022 14,90·1022 10,64·1022

Densità (g/cm3) 3,55 3,04 1,93 1,81

Distanza da Giove (km) 412.600 670.900 1.070.000 1.880.000

Periodo orbitale (giorni) 1,769 3,551 7,155 16,689

I satelliti galileiani

Io

Europa

Ganimede

Callisto

Confronto tra pianeti e satelliti

LA SUPERFICIE DI EUROPA COME IL PACK POLARE

TERRESTRE

Io Europa

Ganimede Callisto

I CAMINI SOTTOMARINISommergibile ALVIN – Isole

Galapagos, 1977

�Scoperti negli ultimi decenni in corrispondenza di dorsali medio-oceaniche

� Oasi di vita in ambiente ostile

� Calore geotermico (fino a 400°C)

� Più di 50 specie di batteri e altri organismi classificati

� Il Pyrolobus fumariiprospera sulle pareti dei camini a temperature di oltre 100°C

� Altri batteri producono zolfo e/o metano

L’ALBERO DELLA VITA

� Basato sull’RNA dei ribosomi

� La lunghezza dei tratti che separano due specie è proporzionale alla loro diversità genetica

� TRE domini principali (Batteri, Archeobatteri, Eucarioti)

� Alla radice (bianco)solo batteri termofili e ipertermofili (possibilespiegazione: primi organismi nati in ambienti simili ai camini sottomarini)

� NOTARE il lungo ramo degli organismi più complessi (Eucarioti)

Saturno

Gli anelli di Saturno sono costituiti da una miriade di piccoli corpi dighiaccio d'acqua che recano al loro interno gas o polveri. Questi ruotanoattorno al pianeta ognuno con il proprio periodo.

Le sonde Voyager hanno messo in evidenza una struttura più complessarispetto a quella degli anelli di altri pianeti esterni. Gli anelli di Saturno siestendono radialmente nello spazio circostante il pianeta per 66500 km ehanno uno spessore di solo 100 m; la loro massa complessiva è pari a uncentomillesimo di quella del pianeta.

Probabilmente gli anelli si sono formati in seguito alla frantumazione di unsatellite abbastanza grande per lo scontro con un asteroide o una cometa(questa ipotesi è confermata dal fatto che la massa totale degli anelli èprossima a quella di Mimas).

Gli anelli sono sempre temporanei, ma la vita di quelli di Saturno è allungatadalla presenza stabilizzatrice dei “satelliti pastori”. Non possono comunqueavere più di un milione di anni circa.

P H O E B E

P H O E B E

LE PRIME IMMAGINI DI TITANO

Azoto, metano, idrocarburi vari, ghiaccio!

PRESSIONE: 1496 mbar (1,5 volte quella terrestre)

TEMPERATURA: -190°C

ENCELADO

ENCELADO E IL SUO OCEANO

I GEYSER DI ENCELADO

Nettuno

Nettuno

Delle 8 lune (al 1999) la più interessante è Tritone, uno dei satelliti più grandi delSistema Solare (il settimo).

La grande luna di Nettuno presenta un numero di crateri piuttosto contenuto equindi, da un punto di vista geologico, la sua superficie è giovane.

È avvolto da una tenue atmosfera di azoto, presenta delle fenditure di distensionedette graben e macchie scure causate probabilmente da vapori fuoriusciti dageyser.

La temperatura su Tritone è estremamente bassa: 38 K.

Tritone

PlutonePiù piccolo della Luna, Plutone fu scoperto nel 1930 da C.W. Tombaugh; è l'unicopianeta a non essere stato esplorato da sonde spaziali.

Nel 1978 fu scoperto il satellite Caronte.

Le misure del periodo orbitale del sistema Plutone-Caronte (6,387 giorni) e dellaloro distanza media (19.640 km) hanno permesso il calcolo della somma delle loromasse (1/400 di quella terrestre).

Fra il 1985 e il 1990 la Terra si è venuta a trovare sul piano dell’orbita di Caronteattorno a Plutone ed è possibile osservare le mutue eclissi; la loro durata (circa 4ore) ha permesso di calcolare il diametro di Plutone e quello di Caronte (1190 km).

Il rapporto delle loro masse (circa 1:12) è il più alto nel Sistema Solare, tanto che ilsistema Plutone-Caronte può essere considerato come un pianeta doppio (anche se,più che un pianeta, ci appare sempre più come il più vicino, e uno dei maggiori, tra icorpi della fascia di Kuiper).

Dalla massa totale e dai diametri del sistema si ricava una densità media che è piùalta di quella dei pianeti gassosi; Plutone possiede un grande nucleo roccioso.

Plutone è molto simile a Tritone.

Plutone

La somiglianza con Tritone suggerisce che entrambi si siano formati nelle regioni piùesterne della nube solare primordiale; in seguito Tritone sarebbe stato catturato daNettuno.

Con l'HST si è scoperto che la superficie di Plutone presenta delle macchie chehanno permesso il calcolo del periodo di rotazione e la verifica del fatto che ilsistema Plutone-Caronte è sincrono.

Nel giugno del 1988 Plutone transitò davanti ad una stella. Durante l'occultazione laluminosità della stella ha subito un decremento progressivo dovuto all'assorbimentoe alla rifrazione da parte di una tenue atmosfera di azoto, monossido di carbonio emetano.

Quando il pianeta si avvicina al Sole il riscaldamento provoca la sublimazione di unaparte della sua superficie come avviene per le comete.

Plutone

Fascia di Edgeworth-Kuiper

È una regione popolata da oggetti di natura cometaria che sono iresti del materiale da cui si è formato il Sistema Solare.

Si estende fra 35 e 1000 unità astronomiche, nello stesso piano deipianeti, oltre l’orbita di Plutone.

Ipotizzata dall’australiano Edgeworth nel 1943, è meglio conosciutagrazie al lavoro dell’olandese Gerard Kuiper. Potrebbe contenere qualchemiliardo di oggetti.

Ultimamente è stato possibile osservare diversi oggetti della fasciadi Kuiper.

Plutone può forse essere considerato l'esempio più cospicuo diquesta classe di oggetti denominati “Plutini” o anche KBO (Kuiper BeltObjects).

Pianetini e fascia di Kuiper

ERIS

Nube di Oort

- È una nube di nuclei cometari che circonda il Sole in un guscio sferico situatomolto oltre l’orbita del pianeta più esterno.

- La nube si estende tra 30000 e 100000 UA dal Sole, spingendosi forse fino a metàdella distanza che separa il Sole dalla stella più vicina.

- Potrebbe contenere mille miliardi di comete, con orbite orientate casualmente.

- Alcune subiscono modifiche della loro orbita da parte dei pianeti giganti eaccorciano il loro periodo passando ripetutamente vicino al Sole.

- La massa totale della nube di Oort è solo alcune volte maggiore della massa dellaTerra.

- Si pensa che le comete siano i detriti residui della formazione del Sistema Solaree che si siano formate in prossimità delle posizioni delle orbite dei pianeti giganti.

Nube di Oort (ricostruzione)

Le comete

- Oltre che dai pianeti con i loro satelliti il Sistema Solare è popolato da una miriadedi corpi minori che orbitano intorno al Sole; questi vengono classificati, in base allaloro natura e alla loro massa, in pianetini, comete, meteoroidi e polveriinterplanetarie.

- Le comete sono conglomerati di ghiacci e altri materiali volatili, uniti a roccia.

- Si ritiene che siano oggetti della Cintura di Kuiper o della nube di Oort cheavvicinandosi al Sole sviluppano una chioma e una o più code lunghe milioni dichilometri.

- I ripetuti passaggi vicino al Sole le consumano lentamente.

- Le perturbazioni dovute ai pianeti di massa maggiore alterano le orbite dellecomete facendo diminuire i periodi di rivoluzione.

- La cometa di Halley, per esempio, gira attorno al Sole in circa 76 anni (la cometadi Encke solo 3,3 anni).

La cometa Hale-Bopp

La cometa Shoemaker-Levy 9 …

… cade su Giove

Immagini Hubble

Nucleo della cometa Borrelly Deep Space 1 (2001)

LA COMETA CHURYUMOV-GERASIMENKO

LA COMETA CHURYUMOV-GERASIMENKO

L’azione del Sole fa evaporare la crosta del nucleo, da cui fuoriescono gas e polveri. L’emissione riguarda solo alcune zone: ampie regioni del nucleo restano inerti

Il materiale espulso forma progressivamente le altre parti della cometa: code (una di gas ionizzati, una di polveri), chioma, corona

COMPOSIZIONE CHIMICA DEL NUCLEOLo studio si basa soprattutto sull’analisi spettroscopica della chioma. Le abbondanze chimiche, almeno per la cometa di Halley, risultano molto simili a quelle solari, con l’eccezione dell’idrogeno (meno del Sole) e del carbonio, che sembra in gran parte segregato sotto forma di composti organici complessi (CHON).

Particolare interesse riveste lo studio delle abbondanze isotopiche.

GRANO di probabile origine cometariaIl rapporto 12C/13C SEMBRA più basso del corrispondente valore per il mezzo interstellare. Ciò suggerisce che l’equazione

“materiale cometario = nebulosa protosolare = materiale interstellare”

debba essere guardata con notevole scetticismo. Occorrono comunque ancora ulteriori dati.

Sembra che il rapporto più basso 12C/13C rilevato per la materia interstellare (la cui misura ha fatto uso principalmente di osservazioni effettuate nella banda delle radiofrequenze, ancora da convalidare pienamente) sia causato da un incremento dell’isotopo più pesante nelle nubi interstellari, causato dall’immissione di materiale stellare elaborato dal ciclo CNO

Gli altri valori delle abbondanze isotopiche (con l’eccezione del rapporto deuterio/idrogeno D/H, che merita un discorso a parte) sono più o meno allineati con i valori solari: in particolare, 16O/18O, 32S/34S.

È praticamente impossibile elencare in poco spazio tutti composti organici individuati nelle comete.

ABBONDANZE ISOTOPICHE E CHIMICHE

Cometa Ikeya-Zhang (2002)

A parte i soliti CH4, CO, CO2 ricordiamo:

CH, C2H2, C2H6, CN, HCN, HCNO, H2CO, CH3OH, CS, CS2, OCS.

Tra le varie specie non organiche citiamo:

NH, NH2, NH3, NO, H2S, SO2, Ca, Ni, Fe, Cr, Mn, Co,

Cu, S2, K, Na.

IL RAPPORTO D/H (1)Vale la pena soffermarsi su un aspetto di estremo interesse, che è imperniato sulla misura del rapporto isotopico D/H tra deuterio e idrogeno.

Sintetizzato in modeste quantità all’inizio della storia dell’Universo, il deuterio mostra una distribuzione di abbondanza BIMODALE tra i corpi del Sistema Solare.

Per esempio, il rapporto D/H delle (poche) comete analizzate finora è circa 10 volte quello “primitivo” stimato per la nebulosa protosolare.

L’arricchimento sembra dipendere dalla maggiore efficacia di alcune reazioni ioniche e molecolari generatrici di deuterio nell’ambiente del nucleo (bassa temperatura + alta densità).

Cometa LINEAR (1999)

Continuando nei confronti ci si accorge che il rapporto D/H è molto più basso per le comete che per Giove e Saturno (anche in questo simili al Sole).

Ciò può suggerire una domanda importante: che risultati dà il confronto tra il D/H dei nuclei cometari e quello dell’acqua degli oceani terrestri?

L’importanza della questione nasce da un problema non ancora risolto dai modelli di formazione del Sistema Solare.

IL RAPPORTO D/H (2)

La teoria “canonica” prevede che il disco che ha formato i pianeti avesse distribuzione di temperature decrescenti partendo dal centro (protosole) e andando verso l’esterno.

IL RAPPORTO D/H (3)Nella zona dove si è formata la Terra la temperatura doveva aggirarsi sui 600 Kelvin (~330°C), un valore che non poteva in alcun caso permettere la condensazione del vapore acqueo.

Ma allora, da dove viene l’acqua degli oceani della Terra?

Potrebbe darsi che molti impatti cometari abbiano arricchito di acqua un pianeta in precedenza asciutto: in tal caso il rapporto D/H dovrebbe essere simile.

OGGI SAPPIAMO CHE UNA

PARTICOLARE FAMIGLIA DI COMETE,

DELLE QUALI LA CHURYUMOV-

GERASIMENKO FA PARTE, HA IL

GIUSTO RAPPORTO D/H COMPATIBILE

CON L’ATTUALE COMPOSIZIONE

DEGLI OCEANI TERRESTRI.

FINE